Измерения позволяют определить, как менялась температура реликта начиная с первых миллиардов лет.
Второй метод связан с эффектом Сюняева – Зельдовича. Фотоны реликтового излучения рассеиваются на электронах в горячем газе, находящемся в скоплениях галактик, и отбирают энергию у электронов (обратный эффект Комптона). В итоге в направлении на скопление будет наблюдаться небольшой, но вполне измеримый недостаток фотонов реликта с длиной волны более 2 мм и избыток фотонов с более короткими волнами. Поскольку мы можем определить свойства скопления, единственным неизвестным будет начальная температура поля фотонов, т. е. температура реликтового излучения, попадающего в скопления. Анализ позволяет определить ее с достаточной точностью, а сравнение данных измерений с предсказаниями теории показывает, что они находятся в согласии. Температура реликтового излучения растет в прошлое как T ~ (1 + z), и это является еще одним независимым аргументом в пользу современной модели расширяющейся Вселенной.
12.4. Спектр первичных возмущений
Со времен Ньютона мы знаем, что если в распределенном по пространству веществе есть отдельные сгущения, то со временем из-за действия гравитации они могут начать расти (т. е. уплотняться, сжиматься). В результате постепенно возникает эволюционирующая структура в распределении вещества. Подобный сценарий реализовался в молодой Вселенной. Начальные флуктуации плотности, если они были достаточно велики, с определенного момента стали увеличиваться. В итоге мы видим галактики, скопления галактик, сверхскопления, волокна и войды – крупномасштабную структуру Вселенной и ее отдельные элементы.
При этом статистические свойства (как говорят, спектр) первичных флуктуаций можно установить, изучая данные по анизотропии реликтового излучения.
Сами флуктуации плотности определяются поведением темного вещества. Основная причина этого в том, что количество темного вещества в несколько раз больше, чем барионного (этот фактор является определяющим начиная с эпохи рекомбинации). Но в более раннюю эпоху была еще одна причина: дело в том, что неоднородности в распределении темного вещества начинают расти рано, а обычное барионное вещество до рекомбинации связано с фотонами, и поэтому (до определенного момента) неоднородности в распределении барионов расти не могут.
Для образования структуры во Вселенной необходимы первичные неоднородности плотности.
Когда барионы начинают «натекать» в созданные темным веществом потенциальные ямы, туда попадают и фотоны. Но рост плотности барионов в какой-то момент останавливается из-за давления фотонов, начинается расширение этой области. Происходят акустические осцилляции в барионном веществе. Фотоны, попавшие в потенциальные ямы, выходя из них, «покраснеют» (станут более «холодными»). Кроме того, работает эффект Доплера: если излучающее вещество движется в нашу сторону, то фотоны получат сдвиг в синюю сторону спектра (если от нас – то в красную). Наконец, рост плотности барионов соответствует и росту плотности фотонов, что приведет к эффективному повышению температуры в этой области. Соответственно, в результате сложения трех эффектов возникают сложные флуктуации температуры реликтовых фотонов.